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RÉSUMÉ
Les ultrasons ont trouvé un grand nombre d'applications très diverses depuis leur utilisation pour la communication avec les animaux (sifflet à ultrasons) jusqu'à la synthèse de molécules organiques. La sonochimie décrit les processus chimiques et physiques qui se produisent en solution grâce à l'énergie apportée par les ultrasons. Même si ce sujet reste complexe à analyser d’un point de vue théorique, les effets des ultrasons en chimie organique sont de mieux en mieux cernés. Cet article commence par lister l’équipement de laboratoire et celui industriel existant à ce jour. L’ensemble des applications de la sonochimie en synthèse organique et en chimie fait l’objet ensuite d’une présentation détaillée. Pour terminer, les limitations de cette technique sont présentées.
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Lire l’articleAuteur(s)
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Micheline DRAYE : Professeur des universités, université de Savoie (Chambéry) - Laboratoire de chimie moléculaire et environnement
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Julien ESTAGER : Docteur de l'université de Savoie (Chambéry) - Laboratoire de chimie moléculaire et environnement
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Max MALACRIA
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Jean-Philippe GODDARD
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Cyril OLLIVIER : UPMC, Univ. Paris 06, Institut parisien de chimie moléculaire (UMR CNRS 7201)
INTRODUCTION
Le terme sonochimie est utilisé pour décrire les processus chimiques et physiques qui se produisent en solution grâce à l'énergie apportée par les ultrasons . Ces effets sont reliés au phénomène de cavitation qui correspond à la formation et à l'implosion de microbulles de gaz dans les liquides sous l'effet des ultrasons. En s'effondrant, ces microbulles de cavitation libèrent d'importantes quantités d'énergie sous forme d'une intense chaleur locale, comparable à la température à la surface du Soleil (5 000 K), de très haute pression (jusqu'à 1 000 atm), d'ondes de choc et de microcourants acoustiques ; chaque bulle de cavitation peut ainsi être considérée comme un microréacteur.
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Autres utilisations des ultrasons en chimie
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3. Application à la synthèse organique
Durant de nombreuses années, la sonochimie en solution homogène est apparue d'un intérêt limité pour la synthèse organique. Les premières études, essentiellement en milieu aqueux, se soldaient par des résultats décevants à l'interprétation aléatoire, des rendements médiocres et de faibles sélectivités. Par contre, les effets mécaniques de la cavitation en système biphasique étant plus faciles à prévoir, de nombreux auteurs ont longtemps négligé les réactions en solution, considérant alors la sonochimie comme un moyen d'agitation très utile en chimie hétérogène.
Finalement, pour expliquer les phénomènes observés lors de l'utilisation des ultrasons en chimie organique, les réactions ont été séparées en trois catégories distinctes, parfois appelées « types », de réactions sonochimiques .
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Les réactions en milieu homogène sont dites de type I . Elles se passent à proximité d'une bulle de cavitation lors de son implosion et profitent des conditions de température et de pression extrêmes qui y règnent (théorie du point chaud). Ces conditions conduisent aussi à l'apparition de radicaux libres très réactifs. On parle, dans ce cas, d'effets chimiques des ultrasons puisque la cavitation influe sur le mécanisme réactionnel.
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Les réactions de type II s'opèrent en milieu hétérogène et ne tirent avantage que des effets physiques des ultrasons tels que les effets de microémulsion ou de réduction de taille de particule. Dans ce cas, aucune modification du mécanisme réactionnel n'est observée et les intermédiaires chimiques de réactions ne sont pas issus de la cavitation. Bien que souvent intéressantes et valorisables, ces réactions sont parfois qualifiées de « fausse sonochimie ».
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Les réactions de type III sont des réactions hétérogènes au cours desquelles des phénomènes de transferts monoélectroniques ont lieu. Ces réactions, dites ambivalentes, bénéficient ainsi des effets chimiques et physiques des ultrasons...
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Application à la synthèse organique
BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - WOODS (R.), LOOMIS (A.) - The physical and biological effects of high frequency sound waves of great intensity - Philos. Mag. 4, p. 414-5 (1927).
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(2) - RICHARDS (T.), LOOMIS (A.) - Chemical effects of ultrasound - J. Am. Chem. Soc. 49, p. 3086-91 (1927).
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(3) - NEPPIRAS (E.) - Acoustic cavitation - Phys. Rep. 61, p. 159-251 (1980).
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(4) - MARINESCO (N.), TRILLAT (J.J.) - Action des ultrasons sur les plaques photographiques - Proc. R. Acad. Sci. Amsterdam 196, p. 858-60 (1933).
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(5) - MASON (T.) - Sonochemistry and sonoprocessing : the link, the trends and (probably) the future - Ultrason. Sonochem. 10 , p. 175-9 (2003).
-
(6) - WAN (Z.), NUR (A.) - Ultrasonic velocities in pure hydrocarbons and mixtures - J. Acoust. Soc. Am. 89, p. 2725-30 (1991).
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